Engineering Geology

Engineering Geology

 Application of Ground-Penetrating Radar (GPR) method to evaluate and control the quality of dimension stone blocks 

10.18869/acadpub.jeg.12.1.1
Abstract
Extended Abstract

Introduction

Dimension stones market is considered as an important and profitable sector of mineral deposit business due to their share in national economic performance. There exist a number of technical reports highlighting a lack of rock quality control in the sequence of quarrying and dimension stones production procedures, which has lowered the production efficiency and consequently the profitability of this strategic mineral industry in Iran. The quality of dimension stones depends on several factors which fractures, joints, voids and fine beddings are the most important factors that down-grade the quality. Therefore, foremost the quality and desirability of the building stone must be precisely determined by sampling, compressive strength testing and preparing microscopic sections. All of the mentioned evaluation methods are destructive. Moreover, sampling and performing multiple tests on all parts of a quarry or on all quarried stone blocks, is not possible. Detection of fractures hidden into the dimension stone blocks is achievable using fast, low-cost, accurate and non-destructive ground-penetrating radar (GPR) method. GPR is a high-resolution geophysical method which uses electromagnetic waves with high-frequency in order to map structures and detect buried objects in subsurface without coring or any destruction of the medium.





Materials and methods

In current research, GPR method has been applied to evaluate the quality of quarried travertine blocks at Haji-Abad quarry complex in Mahallat district, Markazi province, before starting any processing operation. To achieve this goal, the 2-D GPR responses of synthetic models resembling cubic dimension stone blocks containing fine layering and discontinuities, were primarily simulated using a modified 2-D finite-difference forward modeling program in the frequency-domain coded in MATLAB. Among the variety of available numerical methods, the finite-difference time-domain (FDTD) method has paid more attention due to having the simple understanding of the concepts, flexibility, simulation and modeling of complex environments and the acceptability of its responses in the applied cases. In this research, the simulation has been implemented for both calcareous and dolomitic rocks (including travertine and marbles) and granites. In the study area, the GPR data acquisition was carried out using a GPR system equipped with shielded 250 MHz central frequency antenna, 0.5 m antenna distance and 2 cm sampling intervals by monostatic common-offset reflection profiling method. In order to process, analyze and interpretation of data, Ground Vision and Radexplorer software were employed. The most important pre-processing and processing operations applied to the data to provide the final sections, comprising time-zero correction, dewowing (removing very low frequency components from the data), DC shift removal, Butterworth filtering, running average, background removal and types of amplitude gain.

Results and Conclusion

The results of the forward modeling show that the GPR response of fine beddings interfaces and major discontinuities hidden in the volume of dimension stone blocks are clearly detectable. Interpretation of the actual radargrams taken from a real GPR case study (Haji-Abad quarry complex) after employing various B-scan pre-processing and filtering procedures, indicates that GPR method is highly capable to detect fine beddings and discontinuities in order to evaluate the quality of dimension stone before starting any quarrying process. Validation of the obtained results of the present research was carried out on one of the blocks with a predicted large oblique joint while the existence of the large joint was proven under the cutting saw in the stone processing plant. However, it should be noted that due to the existence of inherent heterogeneity encompassing fine beddings, in addition to noises from different sources and their associated multiple reflections in real radargrams, the response of shallow major discontinuities may mask the response of minor ones located underneath or deeper, so as a result may not be detectable with routing GPR radargrams../files/site1/files/121/Ahmadi_Abstract.pdf



Keywords: Dimension stone Blocks (cubes); dimension stones production; Ground Penetrating Radar (GPR); Forward modeling; Quality control; Haji-Abad mining complex in Mahallat
Keywords
Dimension stone Blocks (cubes)
dimension stones production
Ground Penetrating Radar (GPR)
Forward modeling
Quality control
Haji-Abad mining complex in Mahallat
. نبیان ا.، فرهادیان م.ب.، برادران م.، حمیدی انارکی غ.، "سنگ‌های تزئینی و نما»، وزارت معادن و فلزات- معاونت اکتشافی و معدنی" (1371).## 2. فتحی ی.، "شناسایی مزیت‌های نسبی و اولویت‌های بازارهای هدف صادرات سنگ‌های تزئینی ایران"، مؤسسۀ مطالعات و پژوهش‌های بازرگانی (1378). ##3. فهیمی‌فر ج.، "تعیین بازارهای هدف سنگ‌های تزئینی"، مؤسسۀ مطالعات و پژوهش‌های بازرگانی (1381). ##4. سایت اینترنتی ##WWW.Omranbamgostaran.com. 5. احمدی ر.، "چشم انداز آینده صنعت سنگ ساختمانی ایران در مقایسه با کشورهای صاحب این صنعت مانند ایتالیا، چین، هند و ترکیه"، نشریۀ سنگ، معدن و صنایع وابسته ایران، چهارمین نمایشگاه سنگ، معدن و صنایع وابسته ایران، نیمور محلات (1390).## 6. فهیمی‌فر ج.، "بازار جهانی سنگ‌های تزئینی و سهم صادراتی ایران"، انتشارات مؤسسۀ مطالعات و پژوهش‌های بازرگانی (1376). ##7. وزارت صنایع و معادن، "سنگ»، فصلنامه سنگ‌های تزئینی ایران"، شمارۀ 22 (1379).## 8. احمدی ر.، "راهکارهای بهبود تکنولوژی تولید سنگ به‌منظور افزایش سهم صادرات سنگ فرآوری شده در استان مرکزی"، تهران، معاونت پژوهشی دانشگاه علم و صنعت ایران (1387). ##9 Porsani J. L., Sauck W. A., Ju´nior A. O. S., "GPR for mapping fractures and as a guide for the extraction of ornamental granite from a quarry: A case study from southern Brazil", Journal of Applied Geophysics, 58, (2006) 177-187.## 10 Luodes H., "Natural stone assessment with ground penetrating radar", Estonian Journal of Earth Sciences, 57(3) (2008) 149-155.## 11 Kadiglu S., "Photographing layer thicknesses and discontinuities in a marble quarry with 3D GPR visualization", Journal of Applied Geophysics, 64, (2008) 109-114. ##12 Arosio D., Munda S., Zanzi L., "Quality control of stone blocks during quarrying activities", 14th International conference on Ground Penetrating Radar (GPR), June 4-8, Shanghai, China @ ISBN 978-1-4673-2663-6 (2012). ##13 Rey J., Martínez J., Vera P., Ruiz N., Cañadas F., Montiel V., "Ground-penetrating radar method used for the characterisation of ornamental stone quarries", Construction and Building Materials, 77 (2015) 439-447. ##14 Arosio D., "Rock fracture characterization with GPR by means of deterministic deconvolution", Journal of Applied Geophysics 126 (2016) 27-34## 15. احمدی ر.، غلامی ا.، "بهینه‌سازی در صنعت سنگ ساختمانی به‌منظور افزایش سهم صادرات با نگرشی بر وضعیت استان مرکزی"، سومین همایش سراسری سنگ‌های ساختمانی، 6 خرداد، محلات، دانشگاه پیام نور محلات (1388) 14-2.## 16. احمدی ر.، فتحیان‌پور ن.، نوروزی غ.ح.، "کاربردهای ژئوتکنیکی روش رادار نفوذی به زمین (GPR) در شناسایی پارامترهای فیزیکی و هندسی ناهمگنی‌های زیرسطحی"، اولین کنفرانس مهندسی الکترومغناطیس ایران، تهران، دانشگاه علم و صنعت ایران (1391).## 17. احمدی ر.، فتحیان‌پور ن.، نوروزی غ.ح.، "تخمین مشخصات هندسی لوله‌های انتقال آب و فاضلاب مدفون با استفاده از مدل ریاضی و شبیه‌سازی پاسخ داده‌های رادار نفوذی زمین "(GPR)، همایش ملی علوم مهندسی آب و فاضلاب، کرمان، دانشگاه تحصیلات تکمیلی کرمان (1391).## 18. احمدی ر.، فتحیان‌پور ن.، نوروزی غ.ح.، "مطالعۀ ژئوتکنیکی بنای تاریخی سی‌و‌سه‌پل اصفهان با استفاده از روش ژئوفیزیکی رادار نفوذی زمین"، همایش ملی معماری، عمران و توسعه نوین شهری، تبریز (1393).## 19. احمدی ر.، فتحیان‌پور ن.، نوروزی غ.ح.، "شناسایی نقاط ضعف پی سنگ صحن بنای فرهنگی-تاریخی مسجد امام اصفهان با استفاده از روش رادار نفوذی زمین"، اولین همایش ملی رادار نفوذی به زمین، کرمان، دانشگاه شهید باهنر کرمان (1393). ##20. احمدی ر.، فتحیان‌پور ن.، نوروزی غ.ح.، "کاربردهای ژئوتکنیکی رادار نفوذی به زمین در شناسایی ناهمگنی‌های زیر سطحی مسیر حفر تونل انتقال تاسیسات برقی اصفهان"، اولین همایش ملی رادار نفوذی به زمین، کرمان، دانشگاه شهید باهنر کرمان (1393).## 21 Annan A. P., "Ground-penetrating radar workshop notes", Sensors and Software Inc. Mississauga, ON, Canada (2001).## 22 Jol H. M., "Ground-Penetrating Radar theory and applications", First edition, Elsevier Science, (2009) 543 Pages.## 23 Sadiku M. N. O., "Numerical techniques in electromagnetic", second edition, Boca Raton London New York Washington, D.C. CRC press (2001). ##24 Irving J., Knight R., "Numerical modeling of ground penetrating radar in 2-D using MATLAB", Computers & Geosciences, Vol 32, (2006) 1247-1258. ##25. احمدی ر.، فتحیان پور ن.، نوروزی غ.ح.، "بهبود مدل‌سازی پیش‌رو داده‌‌‌های رادار نفوذی به زمین (GPR) به‌روش عددی تفاضل متناهی"، مجله ژئوفیزیک ایران، (3) 8، (1393) 114-130. ##26 Davis J. L., Annan A. P., "Ground Penetrating Radar for High-Resolution Mapping of Soil and Rock Stratigraphy", Geophysical Prospecting, 37, (1989) 531-551.## 27. سایت اینترنتی http://gprrental.com/gpr-velocity-table-analysis. ##28 Olhoeft G. R., "Tables of room temperature electrical properties for selected rocks and minerals with dielectric permittivity statistics", United states geological survey, Denver, Colorado 80225, (1979) 24 pages. ##29 Kim J. H., Cho S. J., Yi M. J., "Removal of ringing noise in GPR data by signal processing", Geosciences Journal, Vol. 11, No. 1, (2007) 75-81. RADPRO/GPR V.3.0 User’s Guide. ##30. احمدی ر.، "بررسی و مطالعه وضعیت معادن و پتانسیل‌های معدنی سنگ‌ساختمانی استان مرکزی"، تهران، معاونت پژوهشی دانشگاه علم و صنعت ایران (1382). ##31. سایت اینترنتی WWW.Malags.com.